深入解析NCP1410：250 mA同步整流PFM升压DC - DC转换器

一、引言

在电池供电的手持电子设备设计中，高效、紧凑的电源管理解决方案至关重要。NCP1410作为一款专为电池供电的手持电子产品设计的单芯片微功率高频升压电压开关转换器IC，能提供高达250 mA的负载电流，具有诸多出色特性，下面将对其进行详细解析。

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二、产品概述

NCP1410集成了同步整流器，可提高效率并省去外部肖特基二极管。其高达600 kHz的高开关频率，允许使用低剖面电感器和输出电容器。同时，它还具备低电池检测器、逻辑控制关断和逐周期电流限制等功能，为各种电池供电应用增添了价值。在所有功能开启的情况下，器件的静态电源电流典型值仅为9.0 μA，并且采用了节省空间的紧凑型Micro8封装。

三、产品特性

3.1 高效性能

NCP1410的效率高达92%，这得益于其内置的同步整流器（PFET），省去了一个外部肖特基二极管，减少了功耗。同时，高开关频率（高达600 kHz）允许使用小尺寸的电感器和电容器，进一步提高了效率并减小了电路板空间。

3.2 精确输出

输出电压范围可通过外部反馈进行调整，在25°C时精度可达±0.6%。当 (V{OUT} ≥3.3 V) 时，能提供超过2.5 mA的电流，输出电流在 (V{in }=2.5 V)、(V_{out }=3.3 V) 时可达250 mA。

3.3 低功耗设计

逻辑控制关断功能可使器件在不需要工作时进入低功耗状态，关机电流典型值仅为0.05 μA，而正常工作时的静态电流也仅为9.0 μA，大大延长了电池的使用寿命。

3.4 紧凑封装

采用Micro8封装，尺寸小巧，适合对空间要求较高的手持设备设计。

四、引脚功能

Pin#	Symbol	Pin Description
1	FB	输出电压反馈输入。
2	LBI	低电池检测器输入。
3	LBO	开漏低电池检测器输出，当 (V_{LBI}) 小于1.178 V时输出为低电平，关机时为高阻抗。
4	REF	1.190 V参考电压输出，若该引脚无负载，需用150 nF电容旁路；若负载电流在 (V_{OUT}=3.3 V) 时可达2.5 mA，则需用1.0 μF电容旁路。
5	SHDN	关机输入，高电平（> 0.6 V）为工作状态，低电平（< 0.3 V）为关机状态。
6	GND	接地。
7	LX	N沟道和P沟道功率MOSFET漏极连接。
8	OUT	电源输出，为IC提供自举电源。

五、详细工作原理

5.1 PFM调节方案

从简化功能图可知，输出电压被分压后反馈到FB引脚，与内部参考电压（1.190 V）在PFM比较器中进行比较。当比较器下降沿触发时，主开关M1开启，经过最大导通时间（典型值1.4 μS）或达到电流限制后，M1关闭，同步开关M2开启。M1的关断时间不少于最小关断时间（典型值0.31 μS），以确保能量从电感器转移到输出电容器。

5.2 同步整流

同步整流器用于替代肖特基二极管，消除了后者正向电压带来的传导损耗。但同步整流涉及复杂的时序问题，需要引入死区时间，以确保M1完全关闭后M2再开启，以及M2完全关闭后M1再开启。在不连续传导模式（DCM）下，ZLC比较器可防止反向电流，提高效率。

5.3 逐周期电流限制

通过SENSEFET采样M1导通时的线圈电流，经过检测电阻产生检测电压。当检测电压高于预设水平时，控制逻辑会关闭M1，直到下一个周期经过最小关断时间后M1才能再次开启，典型的峰值线圈电流限制为1.0 A。

5.4 电压参考

REF引脚的电压典型值为 +1.190 V，在 (V_{OUT}) 等于3.3 V时，可输出高达2.5 mA的电流，负载调节率为±1.5%。REF引脚需要根据负载情况选择合适的旁路电容。

5.5 关机功能

当SHDN引脚电压低于0.3 V时，IC进入关机状态，M1和M2均关闭，但M2的体二极管允许电流从电池流向输出，此时IC内部电路典型电流消耗小于0.05 μA。当SHDN引脚电压高于0.6 V时，IC开启，内部电路从OUT引脚典型消耗9.0 μA电流。

5.6 低电池检测

通过一个具有30 mV迟滞的比较器实现低电池检测功能。当LBI引脚电压低于内部参考电压1.190 V时，比较器输出使50 Ω低侧开关导通，拉低LBO引脚电压；当LBI引脚电压高于1.190 V + 30 mV时，开关关闭，LBO引脚变为高阻抗。

六、应用信息

6.1 输出电压设置

输出电压由外部反馈网络 (R{FB1}) 和 (R{FB2}) 决定，计算公式为 (V{OUT }=1.190 V timesleft(1+frac{R{FB 1}}{R_{FB 2}}right))。

6.2 低电池检测电平设置

低电池检测电压由外部分压网络 (R{LB1}) 和 (R{LB2}) 决定，计算公式为 (V{L B}=1.190 V timesleft(1+frac{R{L B 1}}{R_{L B 2}}right))。

6.3 电感器选择

在 (V{IN}=3 V)、(V{out }=3.3 V) 且输出电流高达250 mA的情况下，使用22 μH的电感器可获得最佳性能。对于其他输入/输出要求，可根据最终应用规格选择10 μH至47 μH的电感器。选择电感器时需要在输出电流能力和可容忍的输出电压纹波之间进行权衡，同时要确保峰值电感电流低于其饱和极限和器件的ILIM（1 A）。

6.4 电容器选择

在开关模式升压转换器应用中，输入和输出端子会出现脉动电压/电流波形，电容器的等效串联电阻（ESR）会产生纹波电压。因此，应选择低ESR的电容器，如陶瓷电容器，低ESR钽电容器也可作为经济有效的替代品。

6.5 可选的低电池电压启动肖特基二极管

一般情况下，不需要外部肖特基二极管，但当设备在接近1 V的电压下运行时，在LX和OUT引脚之间连接一个肖特基二极管可帮助转换器启动。

6.6 PCB布局建议

良好的PCB布局对于开关模式电源转换至关重要。应采用星型接地连接，将输出电源返回地、输入电源返回地和设备电源地连接在一起。功率组件应尽可能靠近放置，连接走线应短、直且粗。反馈信号路径应与主电流路径分开，并直接在输出电容器的阳极进行检测。

七、典型应用电路

给出了一个典型应用电路，适用于2节碱性电池供电，输出电压为3.3 V，最大输出电流为250 mA。该电路展示了如何根据具体需求选择合适的电阻、电容和电感器，以实现稳定的电源输出。

八、一般设计步骤

8.1 设计参数确定

确定输入电压范围 (V{IN}=1.8 V) 至3.0 V（典型值2.4 V），输出电压 (V{OUT }=3.3 V)，输出电流 (I{OUT }=200 mA)（最大250 mA），低电池检测电压 (V{LB}=2.0 V)，输出电压纹波 (V{OUT - RIPPLE }=40 mV{P - P})（在 (I_{OUT}=250 mA) 时）。

8.2 反馈网络计算

选择 (R{FB2}=200 K)，根据公式 (R{FB1}=R{FB2}left(frac{V{OUT }}{V{REF }}-1right)) 计算得到 (R{FB1}=355 K)。

8.3 低电池检测分压计算

选择 (R{LB2}=330 K)，根据公式 (R{LB1}=R{LB2}left(frac{V{LB}}{V{REF}}-1right)) 计算得到 (R{LB1}=225 K)。

8.4 稳态占空比确定

根据公式 (frac{V{OUT }}{V{IN }}=frac{1}{1 - D}) 计算得到典型 (V_{IN}) 下的稳态占空比 (D = 0.273)。

8.5 平均电感电流和电感值计算

计算最大 (I{OUT}) 时的平均电感电流 (IL{AVG}=frac{I{OUT }}{1 - D}=344 mA)。假设 (I{RIPPLE - P}) 为 (I{LAVG}) 的20%，即68.8 mA，根据公式 (L=frac{V{IN} × t{ON}}{2 I{RIPPLE - P}}) 计算得到电感值为24.4 μH，初始试验选择标准值22 μH。

8.6 输出电容值计算

根据公式 (C{OUT}>frac{I{OUT } × t{ON }}{V{OUT - RIPPLE } - I{OUT } × ESR{COUT }}) 计算得到 (C_{OUT}>23.33 μF)，实际选择33 μF的电容。

九、总结

NCP1410是一款性能出色的升压DC - DC转换器，具有高效、紧凑、功能丰富等优点，适用于各种电池供电的手持电子设备。在设计过程中，需要根据具体应用需求合理选择外部组件，并注意PCB布局，以确保电路的稳定性和性能。通过本文的介绍，相信工程师们能更好地理解和应用NCP1410，设计出更优秀的电源管理解决方案。你在实际应用中是否遇到过类似电源管理芯片的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。